- Forschende des Max-Planck-Instituts Bremen entdeckten in Kläranlagen erstmals Endosymbionten in Ciliaten, die Energie durch Denitrifikation aus Nitrat gewinnen.
- Einige Endosymbionten, wie Azoamicus parvus, erzeugen als Zwischenprodukt klimaschädliches Lachgas, weil ihnen ein Enzym zur vollständigen Umwandlung zu Stickstoff fehlt.
- Die Studie liefert neue Erkenntnisse zu Symbiosen in Kläranlagen, ihrem Einfluss auf Reinigung und Emissionen sowie mögliche Parallelen zur Entstehung der Mitochondrien.
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Kläranlagen fallen – wenn überhaupt – durch ihren Geruch auf. Geheimnisvoll wirken sie eher nicht: Abwasser fließt hinein, sauberes Wasser kommt heraus. Doch zwischen Belebtschlamm, Luftblasen und Reaktorbecken spielt sich ein mikroskopisches Zusammenspiel ab, das jetzt selbst Fachleute überrascht hat. Forschende des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen haben entdeckt, dass in Kläranlagen auf der ganzen Welt spezialisierte Bakterien innerhalb einzelliger Lebewesen existieren – und sie beeinflussen nicht nur die Reinigung des Abwassers, sondern auch das Klima.
Entdeckt wurden diese ungewöhnlichen Partnerschaften in sogenannten Ciliaten, einzelligen Organismen mit Zellkern und spezialisierten Zellbereichen, die mit feinen Härchen durchs Wasser gleiten. In ihrem Inneren sitzen Bakterien, sogenannte Endosymbionten. „Dass Bakterien in Einzellern leben, kennt man“, sagt Projektleiterin Jana Milucka. „Aber dass sie dort Energie gewinnen – ähnlich wie Mitochondrien in unseren Zellen – damit hatte niemand gerechnet.“
Mitochondrien gelten als die Kraftwerke der Zelle. Sie verbrennen Zucker mit Hilfe von Sauerstoff und stellen der Zelle Energie zur Verfügung. Die neu entdeckten Endosymbionten machen etwas Vergleichbares – nur ohne Sauerstoff. Stattdessen nutzen sie Nitrat, eine Stickstoffverbindung, die im Abwasser reichlich vorhanden ist. Fachleute nennen diesen Prozess Denitrifikation: Nitrat wird schrittweise zu gasförmigem Stickstoff umgebaut, der harmlos in die Atmosphäre entweicht.
Für Kläranlagen ist das grundsätzlich eine gute Nachricht. Denn Nitrat, das aus Düngemitteln, Industrie oder Haushalten stammt, würde Gewässer belasten. Die Symbionten helfen also bei der Reinigung und versorgen gleichzeitig ihren Wirt mit Energie. Für den ist es eine Art Tauschhandel: Nahrung gegen Strom.
Überraschender Fund im Datenmeer
Auf die Spur kamen die Forscher den Organismen eher zufällig. Erste Exemplare wurden in einem sauerstofffreien See in der Schweiz entdeckt. Das Erbgut der Bakterien lieferte einen genetischen Fingerabdruck – das sogenannte 16S-rRNA-Gen, das wie ein Barcode funktioniert. Damit durchsuchten Studierende anschließend frei zugängliche Sequenzdatenbanken mit Millionen Einträgen.
Das Ergebnis verblüffte das Team: In rund jeder zweiten untersuchten Kläranlage weltweit tauchten die Signaturen dieser Endosymbionten auf – auch in Anlagen in Deutschland. „Kläranlagen sind extrem dynamische Systeme“, sagt Milucka. „Es wird durchmischt, belüftet, abgepumpt. Ganz anders als ein ruhiger See.“ Umso erstaunlicher sei es, dass diese empfindlich wirkenden Partnerschaften dort so stabil existieren.
Doch die Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift ISME Communications, hat auch eine Schattenseite. Unter den 14 neu identifizierten Symbiontenarten ist eine besonders häufig: Azoamicus parvus. Dieser Art fehlt das letzte Enzym, um das Zwischenprodukt Lachgas weiter zu Stickstoff abzubauen.
Lachgas ist kein harmloses Nebenprodukt. Es wirkt rund 300-mal stärker als Kohlendioxid auf das Klima und trägt zudem zum Abbau der Ozonschicht bei. Kläranlagen gelten ohnehin als relevante Quelle dieses Gases – drei bis sieben Prozent der menschengemachten Lachgasemissionen stammen von dort. Dass nun ausgerechnet ein weit verbreiteter Endosymbiont gezielt Lachgas freisetzt, war unerwartet.
Warum die Evolution diesen letzten Schritt abgeschafft hat, ist noch offen. Denkbar wäre, dass das Gas in der ständig durchlüfteten und durchmischten Umgebung einer Kläranlage so schnell aus den Zellen entweicht, dass es ihnen nicht schadet. Wenn der Symbiont deshalb ohne das Enzym für den letzten Umwandlungsschritt auskommt, spart er Ressourcen.
Die Entdeckung dieser Symbiose ist somit zum einen praktisch, weil sie hilft zu verstehen, welche Mikroorganismen zur Reinigungsleistung – und zu unerwünschten Emissionen – beitragen. Zum anderen ist der Befund spannend für die Grundlagenforschung. Die Symbionten sind ein Lehrbuchbeispiel für ein evolutionäres Zwischenstadium: noch keine Zellorganelle, aber auch kein frei lebendes Bakterium mehr.
Dass solche hochspezialisierten Lebensgemeinschaften ausgerechnet in einer menschengemachten Infrastruktur wie der Kläranlage gedeihen, gibt dem Ganzen eine zusätzliche Pointe. Moderne Kläranlagen gibt es erst seit etwa 100 Jahren. Trotzdem scheinen sie für die Symbiosepartner ein idealer Lebensraum geworden zu sein.
Ein Blick ins Unsichtbare
Was nun folgt, ist weitere Detektivarbeit im Mikrokosmos. Welche Einzeller dienen diesen Bakterien als Wirte? Wie eng sind Bakterium und Wirt tatsächlich miteinander verflochten? Und wie groß ist ihr realer Beitrag zu Lachgasemissionen? Weil sich diese Fragen nicht durch Datenbanken klären lassen, entnimmt das Team um Milucka Proben aus der Kläranlage Seehausen. Dann konstruieren die Forschenden eine fluoreszierende Sonde, die an die Bakterien andockt. Unter dem Mikroskop lassen sich dann jene Einzeller als Wirte identifizieren, die leuchten. „Es ist wichtig, dass man Symbiont und Wirt kennt, um deren Co-Evolution zu verstehen“, sagt Milucka. Vielleicht zeigt sich dabei auch, welche Wirte für jene Bakterien entscheidend sind, die in Kläranlagen das Lachgas produzieren. Dann ließen sich eventuell Veränderungen herbeiführen, von denen das Klima profitiert.
Zur Sache
Mitochondrien waren ursprünglich frei lebende Bakterien, die vor rund zwei Milliarden Jahren von einer anderen Zelle als Nahrung aufgenommen wurden. Statt verdaut zu werden, blieben sie irgendwie im Inneren und lieferten ihrem Wirt Energie – ein Vorteil für beide Seiten. Über viele Generationen gaben die Bakterien immer mehr Gene ab, verloren ihre Selbstständigkeit und wurden fest in die Zelle integriert. Heute können Mitochondrien außerhalb ihres Wirts nicht mehr existieren und gelten als Zellorganelle. Die nun in Kläranlagen entdeckten Endosymbionten gelten bislang nicht als Organellen, zeigen aber eine mögliche Parallele: Auch sie leben dauerhaft in ihren Wirten, erzeugen Energie für sie und haben bereits große Teile ihres Erbguts verloren. „Wir sehen hier vielleicht einen Prozess, der dem Weg der Mitochondrien ähnelt – nur sehr viel später in der Erdgeschichte“, sagt Milucka. Für die Forschung sind sie deshalb ein seltenes lebendes Modell, um zu verstehen, wie aus einer lockeren Symbiose Schritt für Schritt ein festes Zellorganell entstehen kann.